Chamäleon-Katalysator

US-Forscher haben eine Beschichtung entwickelt, die auf Knopfdruck die Merkmale verschiedener Katalysatoren annehmen kann. Je nach Stromzufuhr verändert das aus Aluminiumoxid und Graphen auf Silizium bestehende „Chamäleon-Material“ seine elektrochemischen Eigenschaften und kann so unterschiedliche Reaktionen katalysieren. Dies könnte seltene und teure Katalysatoren ersetzen helfen und die Erzeugung von Chemikalien oder Wasserstoff erleichtern.

Ob Wasserspaltung, Produktion von alternativen Treibstoffen oder Synthese wichtiger Chemie-Rohstoffe: Ohne Katalysatoren geht in der Chemie kaum etwas. Sie gehen vorübergehende Bindungen mit den Reaktionspartnern ein und erleichtern durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen deren Reaktionen untereinander. Wegen ihrer besonderen elektrochemischen Eigenschaften kommen als Katalysatoren oft seltene und wertvolle Metalle wie Ruthenium, Platin, Palladium oder Rhodium zum Einsatz.

Raffinierte Schichtung

Doch es könnte auch einfacher und günstiger gehen – durch ein „Chamäleon-Material“, das quasi auf Knopfdruck die Eigenschaften dieser edlen Katalysatoren annehmen kann. Tzia Ming Onn von der University of Minnesota und seine Kollegen entwickelten diese katalytisch wandelbare Beschichtung durch eine raffinierte Kombination von nanometerdünnen Schichten mit speziellen elektrochemischen Eigenschaften.

Die Chamäleon-Beschichtung besteht aus einer Siliziumbasis, auf der eine 70 Nanometer dünne dielektrische Schicht aus Hafniumdioxid liegt. Darauf kommt als entscheidende Komponente erst eine dünne Graphenschicht, dann eine nur vier Nanometer dünne Deckschicht aus amorphem
Aluminiumoxid. „Aluminiumoxid ist ein Metallkatalysator, der häufig für säurevermittelte chemische Umwandlungen eingesetzt wird“, erklärt das Team.

Steuerbare elektrochemische Eigenschaften

Der Clou jedoch: Wird an diese Beschichtung Strom angelegt, verändert dies die Verteilung von Elektronen und Elektronenlöchern an der Oberfläche des Materials – und damit auch seine elektrochemischen Eigenschaften. Fachsprachlich bezeichnen die Forscher ihre Schichtkonstruktion daher als „verunreinigten Halbleiter mit einer hohen Dichte von elektronischen Bandlücken-Zuständen“. Das Kombi-Material kann dadurch je nach angelegter Spannung die Eigenschaften verschiedener herkömmlicher Katalysatoren annehmen.

„Normalerweise wollen Atome ihre Elektronenzahl nicht verändern, aber unser katalytischer Kondensator erlaubt es uns, die Zahl der Elektronen auf der Oberfläche dieses Katalysators zu kontrollieren“, erklärt Seniorautor Paul Dauenhauer von der University of Minnesota. Die Aluminiumoxidschicht veränderte je nach Höhe der angelegten Spannung den Säuregrad ihrer Oberfläche und die Fähigkeit, die Reaktionstemperatur von chemischen Prozessen zu senken.